FR3044168A1 - GENERATOR BASED ON SOLID PIEZOELECTRIC MATERIAL IN SOFT STRUCTURE - Google Patents

GENERATOR BASED ON SOLID PIEZOELECTRIC MATERIAL IN SOFT STRUCTURE Download PDF

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Abstract

Générateur électrique comprenant une superposition incluant deux couches d'électrodes (1, 3), une couche de matériau piézoélectrique (2) d'épaisseur comprise entre 10 et 60 micromètres interposée entre les deux couches d'électrodes (1, 3) et une couche de substrat (4) supportant l'une des couches d'électrodes (1).Electric generator comprising a superposition including two electrode layers (1, 3), a layer of piezoelectric material (2) with a thickness between 10 and 60 microns interposed between the two electrode layers (1, 3) and a layer substrate (4) supporting one of the electrode layers (1).

Description

Générateur à base de matériau piézoélectrique massif en structure souple L’invention relève du domaine des structures piézoélectriques souples et flexibles, en particuliers les générateurs et les ensembles électroniques comprenant de telles générateurs.The invention relates to the field of flexible and flexible piezoelectric structures, in particular generators and electronic assemblies comprising such generators.

Les matériaux piézoélectriques massifs se positionnent parmi les solutions les plus efficaces en matière de génération d’énergie. Cette génération d’énergie peut se faire par pression ou par flexion du matériau.Massive piezoelectric materials are among the most efficient solutions for energy generation. This energy generation can be done by pressing or bending the material.

Dans le cas d’une pression, plus le matériau piézoélectrique est épais plus l’énergie produite sera importante. Néanmoins, la pression qu’il est nécessaire d’appliquer augmente avec l’épaisseur, ce qui limite sont utilisation.In the case of pressure, the thicker the piezoelectric material, the more energy will be produced. Nevertheless, the pressure that it is necessary to apply increases with the thickness, which limits are use.

Dans le cas d’une flexion, la génération d’énergie augmente avec l’amplitude de la flexion, la flèche. Néanmoins, les matériaux piézoélectriques qui se présentent sous la forme de monocristaux ou de céramiques présentent une grande fragilité. Ce caractère fragile des céramiques et des monocristaux limite drastiquement la durée de vie et les conditions d’utilisation en flexion.In the case of bending, the energy generation increases with the amplitude of the flexion, the arrow. Nevertheless, the piezoelectric materials which are in the form of single crystals or ceramics exhibit great fragility. This fragile nature of ceramics and single crystals drastically limits the service life and the conditions of use in flexion.

Il est connu de proposer des couches minces de matériaux piézoélectriques, d’épaisseur inférieure à quelques micromètres. De telles couches sont par exemple décrites dans US2012/0312456. Les épaisseurs très fines autorisent une flexibilité qui permet une génération d’énergie. Les procédés mis en œuvre impliquent l’utilisation d’installations du type salle blanche telle qu’utilisée dans le domaine des semi-conducteurs. De telles installations sont très coûteuses, en particulier dans un contexte de fabrication industrielle. Ceci induit des coûts rédhibitoires pour les applications nécessitant des fabrications en grandes séries.It is known to provide thin layers of piezoelectric materials, less than a few micrometers thick. Such layers are for example described in US2012 / 0312456. The very thin thicknesses allow a flexibility that allows a generation of energy. The processes implemented involve the use of clean room type facilities as used in the field of semiconductors. Such installations are very expensive, especially in an industrial manufacturing context. This entails unacceptable costs for applications requiring mass production.

Par ailleurs, le dépôt de couches minces induit également une structure cristalline complètement désorganisée du matériau obtenu. L’efficacité des matériaux piézoélectriques dépendant fortement de leurs structures cristallines, les propriétés piézoélectriques réelles des matériaux obtenus sont considérablement réduites par rapport aux propriétés théoriques basées sur des structures cristallines. L’invention vient améliorer la situation.Moreover, the deposition of thin layers also induces a completely disorganized crystalline structure of the material obtained. Since the efficiency of piezoelectric materials strongly depends on their crystalline structures, the actual piezoelectric properties of the materials obtained are considerably reduced compared to the theoretical properties based on crystal structures. The invention improves the situation.

La Demanderesse propose un générateur électrique comprenant une superposition incluant : - une première couche d’électrode ; - une seconde couche d’électrode ; - une couche de matériau piézoélectrique, d’épaisseur comprise entre 10 et 60 micromètres interposée entre la première couche d’électrode et la seconde couche d’électrode ; et - une couche de substrat supportant la première couche d’électrode ou la seconde couche d’électrode.The Applicant proposes an electrical generator comprising a superposition including: a first electrode layer; a second electrode layer; a layer of piezoelectric material having a thickness of between 10 and 60 microns interposed between the first electrode layer and the second electrode layer; and a substrate layer supporting the first electrode layer or the second electrode layer.

Un tel générateur supporte des flexions d’amplitude élevée tout en présentant des propriétés piézoélectriques intrinsèques proches des propriétés théoriques. L’énergie mécanique peut être convertie en énergie électrique avec une efficacité améliorée. La résistance à la rupture et la durée de vie de tels générateurs sont améliorées.Such a generator supports high amplitude flexures while exhibiting intrinsic piezoelectric properties close to the theoretical properties. Mechanical energy can be converted into electrical energy with improved efficiency. The breaking strength and the service life of such generators are improved.

Le générateur peut présenter les caractéristiques optionnelles suivantes, seules ou en combinaison les unes avec les autres : - les épaisseurs de la première couche d’électrode, de la seconde couche d’électrode, de la couche de matériau piézoélectrique et de la couche de substrat ainsi que leurs compositions respectives sont conjointement sélectionnées de sorte qu’une superposition présentant une longueur de cinq centimètres peut être courbée de manière réversible jusqu’à ce que les tangentes aux extrémités forment entre elles un angle supérieur à 10. Ceci permet l’utilisation du générateur dans de nombreuses applications et en particulier celles pour lesquelles des mouvements de grandes amplitudes sont présents et dont l’énergie mécanique peut alimenter le générateur. - la couche de matériau piézoélectrique comprend au moins un des matériaux suivants : - une céramique de titano-zirconate de plomb (PZT), - des monocristaux de : - titanate niobate magnésium de plomb (Pb(Mgi/3Nb2/3)o-x)Tix03 ; PMN-PT), - quartz (S1O2), - oxyde de zinc (ZnO), - titanate de baryum (BaTiCE), - niobate de strontium/baryum (SrxBa(i-x)Nb2C>6 ; SBN), - tantalate-niobate de potassium (KTao-x)Nbx03 ; KTN), - titanate niobate zinc de plomb (Pb(Zni/3Nb2/3)o-x)Tix03 ; PZN-PT), et de - niobate de lithium (LiNbCb). De tels matériaux présentent des propriétés piézoélectriques particulièrement efficaces. - la couche de matériau piézoélectrique présente une épaisseur comprise entre 20 et 40 micromètres. Une telle épaisseur confère à la superposition une grande capacité de déformation, notamment en flexion tout en permettant une efficacité énergétique suffisante pour l’alimentation d’une batterie. - l’une au moins de la première couche d’électrode et de la seconde couche d’électrode comprend du cuivre (Cu), du chrome (Cr), du titane (Ti), de l’aluminium (Al) et/ou de l’or (Au). Ces matériaux peuvent être aisément déposés par des techniques connues en tant que telles. - l’une au moins de la première couche d’électrode et de la seconde couche d’électrode présente une épaisseur comprise entre 0,1 et 0,6 micromètres. De telles épaisseurs permettent de grandes déformations tout en présentant un faible risque d’apparition de détérioration et de défaut électriques suite à de nombreuses flexions. - la couche de substrat est réalisée à base de l’un au moins parmi du poly(4,4’-oxydiphénylène-pyromellitimide) (Kapton), du poly(téréphtalate d’éthylène) (PET), du poly(fluorure de vinylidène) (PVDF) et une feuille de métal laminée. De tels matériaux sont particulièrement adaptés pour subir de nombreuses déformations en présentant une bonne tenue en fatigue. - la couche de substrat présente une épaisseur comprise entre 13 et 65 micromètres. Une telle épaisseur confère à la superposition une grande capacité de déformation, notamment en flexion tout en supportant durablement les autres couches de la superposition. - la couche de matériau piézoélectrique présente un coefficient piézoélectrique supérieur à 100 pm/V. Un tel coefficient rend le générateur apte à des applications de fourniture d’énergie et non seulement à des fonctions de capteur.The generator may have the following optional characteristics, alone or in combination with each other: the thicknesses of the first electrode layer, the second electrode layer, the piezoelectric material layer and the substrate layer as well as their respective compositions are jointly selected so that a superposition having a length of five centimeters can be reversibly bent until the tangents at the ends form between them an angle greater than 10. This allows the use of the generator in many applications and in particular those for which large amplitude movements are present and whose mechanical energy can supply the generator. the layer of piezoelectric material comprises at least one of the following materials: a titanium lead zirconate (PZT) ceramic, monocrystals of: lead niobate magnesium titanate (Pb (Mgi / 3Nb 2/3) ox) Tix03 ; PMN-PT), - quartz (S1O2), - zinc oxide (ZnO), - barium titanate (BaTiCE), - strontium / barium niobate (SrxBa (ix) Nb2C> 6, SBN), - tantalate-niobate potassium (KTao-x) NbxO3; KTN), - lead niobate zinc titanate (Pb (ZnI / 3Nb2 / 3) o-x) TixO3; PZN-PT), and lithium niobate (LiNbCb). Such materials have particularly effective piezoelectric properties. the layer of piezoelectric material has a thickness of between 20 and 40 microns. Such a thickness gives the superposition a large deformation capacity, especially in bending while allowing sufficient energy efficiency for the power supply of a battery. at least one of the first electrode layer and the second electrode layer comprises copper, chromium, titanium, aluminum and / or gold (Au). These materials can be easily deposited by techniques known per se. at least one of the first electrode layer and the second electrode layer has a thickness of between 0.1 and 0.6 micrometers. Such thicknesses allow large deformations while having a low risk of occurrence of deterioration and electrical defects due to numerous flexions. the substrate layer is based on at least one of poly (4,4'-oxydiphenylenepyromellitimide) (Kapton), polyethylene terephthalate (PET), polyvinylidene fluoride; ) (PVDF) and a rolled metal sheet. Such materials are particularly suitable for undergoing many deformations with good fatigue behavior. the substrate layer has a thickness of between 13 and 65 microns. Such a thickness gives the superposition a large capacity for deformation, especially in flexion while sustainably supporting the other layers of the superposition. the layer of piezoelectric material has a piezoelectric coefficient greater than 100 pm / V. Such a coefficient makes the generator suitable for power supply applications and not only for sensor functions.

Selon un second aspect de l’invention, la Demanderesse propose un ensemble électronique comprenant un générateur tel que défini ci-avant couplé à un accumulateur de sorte qu’une flexion de la superposition du générateur génère un stockage d’énergie par l’accumulateur.According to a second aspect of the invention, the Applicant proposes an electronic assembly comprising a generator as defined above coupled to an accumulator so that a bending of the superposition of the generator generates a storage of energy by the accumulator.

La couche de substrat du générateur peut supporter au moins en partie l’accumulateur. Un tel montage est particulièrement compact. Il peut être intégré à de nombreux dispositif dont l’autonomie énergétique est recherchée.The substrate layer of the generator can support at least part of the accumulator. Such an assembly is particularly compact. It can be integrated into many devices whose energy autonomy is sought.

Le générateur de l’ensemble peut être relié à un microcontrôleur agencé pour tirer des informations de pression et/ou de déformation de la superposition du générateur à partir d’un signal en sortie du générateur. L’ensemble peut alors former à la fois un capteur et une source d’énergie. L’ensemble électronique peut en outre comprendre un émetteur agencé pour transmettre des informations tirées d’un signal en sortie du générateur. De nombreux dispositifs peuvent être rendus autonomes énergétiquement et/ou communiquant.The generator of the assembly may be connected to a microcontroller arranged to draw pressure information and / or deformation of the superposition of the generator from a signal output of the generator. The assembly can then form both a sensor and a power source. The electronic assembly may further comprise a transmitter arranged to transmit information derived from a signal at the output of the generator. Many devices can be made energetically autonomous and / or communicating.

Selon un second aspect de l’invention, la Demanderesse propose un procédé de fabrication d’un générateur comprenant les étapes suivantes : a) déposer sur une couche massive de matériau piézoélectrique une couche de matériau conducteur de manière à former une première couche d’électrode, b) fixer la superposition obtenue en a) sur un premier support de travail, c) amincir la couche massive de matériau piézoélectrique jusqu’à obtenir une couche massive de matériau piézoélectrique amincie d’épaisseur comprise entre 10 et 60 micromètres, d) déposer sur la couche massive de matériau piézoélectrique amincie de la superposition obtenue en c) une couche de matériau conducteur, e) fixer une couche de substrat sur un second support de travail, f) déposer sur la couche de substrat de la superposition obtenue en e) une couche de matériau conducteur, g) appliquer les couches de matériau conducteur déposées respectivement en d) et en f) l’une contre l’autre et presser les superpositions obtenues respectivement en d) et en f) jusqu’à obtenir une liaison moléculaire entre lesdites couches de matériau conducteur de manière à former une unique seconde couche d’électrode, et h) retirer les premier et second supports de travail.According to a second aspect of the invention, the Applicant proposes a method of manufacturing a generator comprising the following steps: a) depositing on a solid layer of piezoelectric material a layer of conductive material so as to form a first electrode layer , b) fixing the superposition obtained in a) on a first working support, c) thinning the solid layer of piezoelectric material to obtain a solid layer of thinned piezoelectric material with a thickness of between 10 and 60 micrometers, d) depositing on the solid layer of thinned piezoelectric material of the superposition obtained in c) a layer of conductive material, e) fixing a substrate layer on a second working support, f) depositing on the substrate layer the superposition obtained in e) a layer of conductive material, g) apply the conductive material layers deposited respectively in d) and f) one against the and pressing the overlays obtained respectively in d) and f) to obtain a molecular bond between said layers of conductive material to form a single second electrode layer, and h) removing the first and second work media .

La couche de matériau conducteur déposée en a) et/ou les deux couches de matériau conducteur déposées en d) et f) peuvent présenter une pluralité de zones isolées électriquement les unes des autres de manière à obtenir des plots de contact coplanaires. La connexion avec d’autres composants est facilitée.The layer of conductive material deposited in a) and / or the two layers of conductive material deposited in d) and f) may have a plurality of electrically insulated areas from each other so as to obtain coplanar contact pads. Connection with other components is facilitated.

Les étapes a) à d) peuvent être réalisées deux fois de manière à obtenir deux superpositions distinctes, les étapes e) à h) sont réalisées deux fois successivement sur une face de la couche de substrat puis sur la face opposée, respectivement avec l’une puis l’autre desdites deux superpositions distinctes. La superposition présente une efficacité doublée pour un faible encombrement et par une fabrication moins coûteuse que de réaliser deux superpositions. D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 montre une vue en perspective d’un générateur selon l’invention, - la figure 2 montre une vue en coupe d’un détail du générateur de la figure 1, - les figures 3A à 3H montrent des étapes d’un procédé de fabrication d’un générateur selon l’invention, - les figures 4 à 7 montrent chacune un mode de réalisation d’un générateur selon l’invention, - la figure 8 montre un graphique schématique d’un signal en sortie du générateur en fonction des déformations qui lui sont appliquées, - la figure 9 montre un ensemble électronique selon l’invention équipé d’un générateur selon l’invention, - la figure 10 est un graphique représentant un signal en sortie de l’ensemble de la figure 9 en fonction des déformations qui sont appliquées au générateur, et - les figures 11 et 12 montrent chacune un mode de réalisation d’un ensemble selon l’invention.The steps a) to d) can be carried out twice so as to obtain two distinct overlays, the steps e) to h) are performed twice successively on one side of the substrate layer and then on the opposite face, respectively with the one then the other of said two distinct overlays. The superposition has an efficiency doubled for a small footprint and a less expensive manufacture than to perform two overlays. Other features, details and advantages of the invention will appear on reading the following detailed description, and the attached drawings, in which: FIG. 1 shows a perspective view of a generator according to the invention; FIG. 2 shows a sectional view of a detail of the generator of FIG. 1; FIGS. 3A to 3H show steps of a method of manufacturing a generator according to the invention; FIGS. each show an embodiment of a generator according to the invention, - Figure 8 shows a schematic diagram of a signal output of the generator according to the deformations applied to it, - Figure 9 shows an electronic assembly according to the invention equipped with a generator according to the invention, - Figure 10 is a graph showing a signal at the output of the assembly of Figure 9 according to the deformations that are applied to the generator, and - the Figures 11 and 12 each show an embodiment of an assembly according to the invention.

Les dessins et la description ci-après contiennent, pour l’essentiel, des éléments de caractère certain. Ils pourront donc non seulement servir à mieux faire comprendre la présente invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant.The drawings and the description below contain, for the most part, elements of a certain character. They can therefore not only serve to better understand the present invention, but also contribute to its definition, if any.

Dans le domaine des piézoélectriques, le terme « mince(s) » désigne généralement des couches ou structures d’épaisseur allant de quelques centaines de nanomètres jusqu’à quelques micromètres, environ 3 pm. Le terme « massif(s) » désigne au contraire des couches ou structures d’épaisseur au moins égales à une dizaine de micromètres et pouvant atteindre jusqu’à plusieurs centaines de micromètres. Dans la suite, ces définitions sont respectées.In the field of piezoelectric, the term "thin (s)" generally refers to layers or structures of thickness ranging from a few hundred nanometers to a few micrometers, about 3 microns. The term "solid (s)" refers to the contrary layers or structures of thickness at least equal to ten micrometers and up to several hundred micrometers. In the following, these definitions are respected.

Il est fait référence aux figures 1 et 2 qui représentent un générateur électrique sous la forme d’une superposition de plusieurs couches. La superposition comprend : - une première couche d’électrode 1 ; - une couche de matériau piézoélectrique 2 ; - une seconde couche d’électrode 3 ; et - une couche de substrat 4.Reference is made to FIGS. 1 and 2 which show an electric generator in the form of a superposition of several layers. The superposition comprises: a first electrode layer 1; a layer of piezoelectric material 2; a second electrode layer 3; and a substrate layer 4.

La première couche d’électrode 1 et la seconde couche d’électrode 3 présentent chacune une épaisseur comprise entre 0,1 et 0,6 micromètres. Ici, la première couche d’électrode 1 présente une épaisseur d’environ 0,2 micromètre (2 000 Â) tandis que la seconde couche d’électrode 3 présente une épaisseur d’environ 0,4 micromètre (4 000 Â). Dans l’exemple décrit ici, la première couche d’électrode 1 et la seconde couche d’électrode 3 comprennent des composants conducteurs, seuls ou en couches superposées, par exemple du cuivre (Cu), du chrome (Cr), du titane (Ti), de l’aluminium (Al) et/ou de l’or (Au).The first electrode layer 1 and the second electrode layer 3 each have a thickness of between 0.1 and 0.6 micrometers. Here, the first electrode layer 1 has a thickness of about 0.2 micrometer (2000 Å) while the second electrode layer 3 has a thickness of about 0.4 micrometer (4000 Å). In the example described here, the first electrode layer 1 and the second electrode layer 3 comprise conductive components, alone or in superposed layers, for example copper (Cu), chromium (Cr), titanium ( Ti), aluminum (Al) and / or gold (Au).

La couche de matériau piézoélectrique 2 présente une épaisseur comprise entre 10 et 60 micromètres, de préférence entre 20 et 40 micromètres. Dans l’exemple décrit ici, l’épaisseur est d’environ 30 micromètres. La couche de matériau piézoélectrique 2 du générateur forme donc une structure massive.The layer of piezoelectric material 2 has a thickness of between 10 and 60 microns, preferably between 20 and 40 microns. In the example described here, the thickness is about 30 microns. The layer of piezoelectric material 2 of the generator thus forms a massive structure.

La couche de matériau piézoélectrique 2 comprend l’un au moins parmi : - une céramique de titano-zirconate de plomb (PZT), - des monocristaux de : - titanate niobate magnésium de plomb (Pb(Mgi/3Nb2/3)(i-x)TixC>3 ; PMN-PT), - quartz (S1O2), - oxyde de zinc (ZnO), - titanate de baryum (BaTiCb), - niobate de strontium/baryum (SrxBa(i-X)Nb206 ; SBN), - tantalate-niobate de potassium (KTa(i-X)Nbx03 ; KTN), - titanate niobate zinc de plomb (Pb(Zni/3Nb2/3)(i-x)Tix03 ; PZN-PT), et de - niobate de lithium (LiNbCb).The layer of piezoelectric material 2 comprises at least one of: - a titanium lead zirconate (PZT) ceramic, - monocrystals of: - lead niobate magnesium titanate (Pb (Mgi / 3Nb2 / 3) (ix) TixC> 3; PMN-PT), - quartz (S1O2), - zinc oxide (ZnO), - barium titanate (BaTiCb), - strontium / barium niobate (SrxBa (iX) Nb206, SBN), - tantalate- potassium niobate (KTa (iX) Nbx03; KTN), - lead zinc niobate titanate (Pb (Zni / 3Nb2 / 3) (ix) TixO3; PZN-PT), and lithium niobate (LiNbCb).

Dans l’exemple décrit ici, la couche de matériau piézoélectrique 2 est réalisée à base de céramique PZT.In the example described here, the layer of piezoelectric material 2 is made of PZT ceramic.

La couche de matériau piézoélectrique 2 est prise en sandwich entre les deux couches d’électrodes 1 et 3.The layer of piezoelectric material 2 is sandwiched between the two electrode layers 1 and 3.

La couche de substrat 4 supporte la superposition des trois autres couches. Elle est ici disposée sous la seconde couche d’électrode 3. La couche de substrat 4 présente une épaisseur comprise entre 13 et 65 micromètres, ici environ 30 micromètres. La couche de substrat 4 présente une structure et une composition agencées pour lui conférer une grande souplesse et faciliter la flexibilité de la superposition. Elle peut être électriquement conductrice ou isolante. Par exemple, la couche de substrat 4 peut être réalisée à base d’une feuille métallique laminée. La couche de substrat 4 peut aussi être réalisée à base de polymères tels que du poly(4,4’-oxydiphénylène-pyromellitimide), aussi connu sous la dénomination commerciale « Kapton », du poly(téréphtalate d’éthylène) ou PET, du poly(fluorure de vinylidène) ou PVDF). La couche de substrat 4 peut aussi présenter un assemblage de plusieurs matériau, par exemple sous la forme d’un multicouche.The substrate layer 4 supports the superposition of the other three layers. It is here disposed under the second electrode layer 3. The substrate layer 4 has a thickness of between 13 and 65 microns, here about 30 microns. The substrate layer 4 has a structure and a composition arranged to give it great flexibility and facilitate the flexibility of the superposition. It can be electrically conductive or insulating. For example, the substrate layer 4 may be made from a laminated metal sheet. The substrate layer 4 can also be made based on polymers such as poly (4,4'-oxydiphenylene-pyromellitimide), also known under the trade name "Kapton", poly (ethylene terephthalate) or PET, poly (vinylidene fluoride) or PVDF). The substrate layer 4 may also have an assembly of several materials, for example in the form of a multilayer.

La couche de substrat 4 peut en variante présenter une ou deux de ses faces principales recouvertes de métal conducteur, par exemple du cuivre. De tels revêtements peuvent par exemple faciliter l’adhésion avec la couche d’électrode de la superposition, notamment en fonction des matériaux mis en œuvre.The substrate layer 4 may alternatively have one or two of its main faces covered with conductive metal, for example copper. Such coatings may, for example, facilitate adhesion with the electrode layer of the superposition, in particular as a function of the materials used.

La superposition des quatre couches présente une épaisseur totale comprise entre environ 23 et 125 micromètres.The superposition of the four layers has a total thickness of between about 23 and 125 micrometers.

Dans l’exemple de la figure 1, la première couche d’électrode 1 est pleine sur toute sa surface. Autrement dit, elle comporte une unique zone. En variante, la première couche d’électrode, formant l’électrode supérieure sur les figures, peut présenter des organisations différentes et comprendre une pluralité de zones isolées électriquement les unes des autres de manière à former des plots de contact coplanaires. Des exemples de telles organisations sont représentés aux figures 4, 5 et 7. Les zones de la première couche d’électrode 1 sont alors référencées IA, IB, IC, etc. De manière similaire, la seconde couche d’électrode 3 peut aussi présenter des zones isolées électriquement les unes des autres. De telles zones sont représentées sur les figures 1, 4, 5, 6 et 8. Ces zones sont référencées 3A, 3B, 3C, etc. En variante, la seconde couche d’électrode 3 peut être pleine.In the example of Figure 1, the first electrode layer 1 is full on its entire surface. In other words, it has a single zone. Alternatively, the first electrode layer, forming the upper electrode in the figures, may have different organizations and include a plurality of areas electrically insulated from each other so as to form coplanar contact pads. Examples of such organizations are shown in Figures 4, 5 and 7. The areas of the first electrode layer 1 are then referenced IA, IB, IC, etc. Similarly, the second electrode layer 3 may also have areas electrically insulated from each other. Such areas are shown in Figures 1, 4, 5, 6 and 8. These areas are referenced 3A, 3B, 3C, etc. Alternatively, the second electrode layer 3 may be full.

En fonctionnement, une zone de la première couche d’électrode 1 et une zone de la seconde électrode 3 en regard l’une de l’autre de part et d’autre de la couche de matériau piézoélectrique 2 forment un couple. Chaque couple est associé à une position dans le plan principal du générateur. Il est alors possible d’associer une mesure électrique ou une génération d’énergie à un emplacement du générateur dans son plan principal. En fonction des applications prévues, la configuration des zones est adaptée. Ce type d’organisation est particulièrement adapté pour des applications de capteur de déformation.In operation, a zone of the first electrode layer 1 and a zone of the second electrode 3 facing each other on either side of the layer of piezoelectric material 2 form a pair. Each pair is associated with a position in the main plane of the generator. It is then possible to associate an electrical measurement or a power generation at a location of the generator in its main plane. Depending on the intended applications, the zone configuration is adapted. This type of organization is particularly suitable for deformation sensor applications.

Pour ce faire, chaque couple est relié électriquement à un circuit et des composants distincts du générateur.To do this, each pair is electrically connected to a circuit and separate components of the generator.

Comme cela apparaît sur les figures, la première couche d’électrode 1 présente ici une face libre. La relier électriquement à des composants externes ne pose pas de difficulté particulière. La seconde couche d’électrode 3 est au contraire emprisonnée entre la couche de matériau piézoélectrique 2 et la couche de substrat 4. Pour faciliter les branchements avec une circuiterie externe, une petite portion de branchement d’une face de la seconde couche d’électrode 3 est laissée libre, non recouverte par la couche de matériau piézoélectrique 2, et forme un plot de connexion de sorte que la seconde couche d’électrode 3 peut aisément être reliée électriquement à d’autres composants. La seconde couche d’électrode 3 étant formée d’une unique zone, elle forme alors la masse commune à chacun des couples répartis dans le plan principal du générateur. La portion laissée libre forme alors plot-masse. Le plot masse est référencé 3B en figure 1, 3D en figure 4, 3J en figure 53B en figure 6. D’autres plots isolés les uns les autres et isolés de la seconde couche d’électrode 3 sont agencés adjacents au plot-masse. Ces plots sont, ici, au moins aussi nombreux que le nombre de zones prévues dans la première couche d’électrode 1. Chacun de ces plots forme alors un intermédiaire de connexion pour une zone respective de la première couche d’électrode. Par exemple, en figure 4, le plot référencé 3A est relié électriquement à la zone IA, le plot référencé 3B est relié électriquement à la zone IB, le plot référencé 3C est relié électriquement à la zone IC. Ces liaisons peuvent, par exemple, être réalisées au moyen d’un fil conducteur. Ainsi, lorsque le générateur 1 est intégré dans un ensemble électronique, les plots, dont le plot-masse sont localement regroupés, ce qui permet de faciliter les connexions et réduire l’encombrement.As shown in the figures, the first electrode layer 1 here has a free face. Connecting it electrically to external components does not pose any particular difficulty. On the contrary, the second electrode layer 3 is trapped between the layer of piezoelectric material 2 and the substrate layer 4. To facilitate the connections with external circuitry, a small branch portion of one face of the second electrode layer 3 is left free, not covered by the layer of piezoelectric material 2, and forms a connection pad so that the second electrode layer 3 can easily be electrically connected to other components. The second electrode layer 3 being formed of a single zone, it then forms the mass common to each of the pairs distributed in the main plane of the generator. The portion left free form then plot-mass. The ground stud is referenced 3B in FIG. 1, 3D in FIG. 4, 3J in FIG. 53B in FIG. 6. Other pads isolated from one another and isolated from the second electrode layer 3 are arranged adjacent to the grounding pad. These pads are, here, at least as many as the number of zones provided in the first electrode layer 1. Each of these pads then forms a connection intermediate for a respective zone of the first electrode layer. For example, in FIG. 4, the pad referenced 3A is electrically connected to the area IA, the pad referenced 3B is electrically connected to the area IB, the pad referenced 3C is electrically connected to the area IC. These links may, for example, be made using a conductive wire. Thus, when the generator 1 is integrated in an electronic assembly, the studs, whose stud-mass are locally grouped, which facilitates connections and reduce clutter.

Il est maintenant fait référence aux figures 3A à 3H représentant des étapes de fabrication d’un générateur, par exemple l’un de ceux décrit ci-avant.Reference is now made to FIGS. 3A to 3H showing steps for manufacturing a generator, for example one of those described above.

Dans une première étape a), dont le résultat est représenté en figure 3 A, un matériau massif piézoélectrique 201 est recouvert d’une couche formant électrode 101 sur une de ses faces principales. Le matériau massif piézoélectrique 201 présente une épaisseur initiale supérieure à 500 micromètres. A l’issu du procédé, la couche formant électrode 101 formera la première couche d’électrode 1 telle que décrite ci-avant. La couche formant électrode 101 présente ici une épaisseur d’environ 0,2 micromètre (2 000 Â). Le dépôt métallique peut être réalisé sous vide par dépôt physique en phase vapeur (PVD) ou dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD).In a first step a), the result of which is represented in FIG. 3A, a piezoelectric solid material 201 is covered with an electrode layer 101 on one of its main faces. The piezoelectric solid material 201 has an initial thickness greater than 500 microns. At the end of the process, the electrode layer 101 will form the first electrode layer 1 as described above. The electrode layer 101 here has a thickness of about 0.2 micrometer (2000 Å). The metal deposition can be carried out under vacuum by physical vapor deposition (PVD) or plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD).

Dans une seconde étape b), dont le résultat est représenté en figure 3B, la superposition 101, 201 obtenue à l’étape a) est fixée sur un premier support de travail 601. La face libre de la couche formant électrode 101 est appliquée contre le premier support de travail 601 tandis que la face opposée du matériau massif piézoélectrique 201 est laissée libre. Le premier support de travail 601 présente, ici, une épaisseur supérieure à 2 millimètres. Dans l’exemple décrit ici, il prend la forme d’une lame de verre. De manière générale, le premier support de travail 601 est agencé pour faciliter la manipulation de la superposition lors des étapes ultérieures. Des plots de fixation 501 maintiennent la superposition 101, 201 sur le premier support de travail 601. Les plots de fixation 501 sont agencés pour ne pas gêner les étapes de procédé qui vont suivre.In a second step b), the result of which is represented in FIG. 3B, the superposition 101, 201 obtained in step a) is fixed on a first working support 601. The free face of the electrode layer 101 is applied against the first work support 601 while the opposite face of the piezoelectric solid material 201 is left free. The first work support 601 has, here, a thickness greater than 2 millimeters. In the example described here, it takes the form of a glass slide. In general, the first work support 601 is arranged to facilitate the manipulation of the superposition during the subsequent steps. Fixing studs 501 maintain the superposition 101, 201 on the first working support 601. The fixing studs 501 are arranged so as not to interfere with the following process steps.

Dans une troisième étape c), dont le résultat est représenté en figure 3C, le matériau massif piézoélectrique 201 est aminci depuis sa face libre. Cet amincissement est ici réalisé par une opération de rodage/polissage traditionnel. Il en résulte une couche de matériau piézoélectrique amincie 202. Bien qu’amincie par rapport au matériau massif piézoélectrique 201 initial, la couche de matériau piézoélectrique amincie 202 reste massive. L’épaisseur de cette dernière est adaptée en fonction de l’application prévue. Ici, elle est amincie jusqu’à atteindre environ 30 micromètres. Durant cette étape, la couche formant électrode 101 reste inchangée, sous la couche de matériau piézoélectrique amincie 202.In a third step c), the result of which is represented in FIG. 3C, the piezoelectric solid material 201 is thinned from its free face. This thinning is here achieved by a traditional lapping / polishing operation. This results in a layer of thinned piezoelectric material 202. Although thinned with respect to the initial piezoelectric solid material 201, the thinned piezoelectric material layer 202 remains solid. The thickness of the latter is adapted according to the intended application. Here, it is thinned to about 30 microns. During this step, the electrode layer 101 remains unchanged under the layer of thinned piezoelectric material 202.

Dans une quatrième étape d), dont le résultat est représenté en figure 3D, la face de la couche de matériau piézoélectrique amincie 202 opposée à celle portant la couche formant électrode 101 est à son tour recouverte d’une couche formant électrode 301, c’est-à-dire sur la face qui a subi l’amincissement à l’étape c). À l’issu du procédé, la couche formant électrode 301 formera une partie de la seconde couche d’électrode 3 telle que décrite ci-avant. La couche formant électrode 301 présente ici une épaisseur d’environ 0,2 micromètre (2 000 Â). Le dépôt métallique peut être réalisé sous vide par dépôt physique en phase vapeur (PVD) ou dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD).In a fourth step d), the result of which is shown in FIG. 3D, the face of the thinned piezoelectric material layer 202 opposite to that carrying the electrode layer 101 is in turn covered by an electrode layer 301, that is to say on the side which has undergone thinning in step c). At the end of the process, the electrode layer 301 will form a part of the second electrode layer 3 as described above. The electrode layer 301 here has a thickness of about 0.2 micrometer (2000 Å). The metal deposition can be carried out under vacuum by physical vapor deposition (PVD) or plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD).

La superposition obtenue en fin d’étape d) est conservée pour être utilisée dans l’étape g) décrite ci-après.The superposition obtained at the end of step d) is retained for use in step g) described below.

Dans une cinquième étape e), dont le résultat est représenté en figure 3E, une couche de substrat 4 est fixée sur un second support de travail 602. Le second support de travail 602 est, ici, similaire au premier support de travail 601. Des lèvres de fixation 7 maintiennent la couche de substrat 4 sur le second support de travail 602. Les lèvres de fixation 7 sont agencées pour ne pas gêner les étapes de procédé qui vont suivre.In a fifth step e), the result of which is represented in FIG. 3E, a substrate layer 4 is fixed on a second working support 602. The second working support 602 is, here, similar to the first working support 601. fixing lips 7 hold the substrate layer 4 on the second working support 602. The fixing lips 7 are arranged so as not to interfere with the following process steps.

Dans une sixième étape f), dont le résultat est représenté en figure 3F, la couche de substrat 4 est recouverte d’une couche formant électrode 302 sur sa face principale libre, celle opposée au second support de travail 602. A l’issu du procédé, la couche formant électrode 302 formera en combinaison avec la couche formant électrode 301 la seconde couche d’électrode 3 telle que décrite ci-avant. La couche formant électrode 302 présente ici une épaisseur d’environ 0,2 micromètre (2 000 Â). Le dépôt métallique peut être réalisé sous vide par dépôt physique en phase vapeur (PVD) ou dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD).In a sixth step f), the result of which is represented in FIG. 3F, the substrate layer 4 is covered with an electrode layer 302 on its free main face, that opposite to the second working support 602. At the end of FIG. method, the electrode layer 302 will form in combination with the electrode layer 301 the second electrode layer 3 as described above. The electrode layer 302 here has a thickness of about 0.2 micrometer (2000 Å). The metal deposition can be carried out under vacuum by physical vapor deposition (PVD) or plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD).

Dans une septième étape g) représentée en figure 3 G, la superposition obtenue en étape d) et celle obtenue en étape f) sont assemblées l’une avec l’autre, ici par pressage à froid (« cold welding » en anglais). Les deux couches formant électrode 301 et 302 sont appliquées l’une contre l’autre. Les deux superpositions sont pressées l’une contre l’autre jusqu’à obtenir une liaison moléculaire entre les deux couches formant électrode 301 et 302. Les conditions de pressage sont adaptées en fonction des matériaux mis en œuvre. Elles fusionnent alors l’une avec l’autre de sorte que les deux superpositions sont fixées l’une à l’autre et qu’une unique seconde couche d’électrode 3 soit formée. L’épaisseur de la seconde couche d’électrode 3 correspond alors sensiblement à la somme des épaisseurs des couches formant électrode 301 et 302, soit ici environ 0,4 micromètres (4 000 Â).In a seventh step g) shown in FIG. 3G, the superposition obtained in step d) and that obtained in step f) are assembled with each other, here by cold pressing ("cold welding" in English). The two electrode layers 301 and 302 are applied against each other. The two overlays are pressed against each other until a molecular bond is obtained between the two electrode layers 301 and 302. The pressing conditions are adapted according to the materials used. They then merge with each other so that the two overlays are attached to each other and a single second electrode layer 3 is formed. The thickness of the second electrode layer 3 then substantially corresponds to the sum of the thicknesses of the electrode layers 301 and 302, here about 0.4 micrometers (4000 Å).

Dans les cas de zones séparées et isolées sur le même plan comme illustrés aux figures 1, 4, 5, 6 et 7, les zones sont modelées lors des opérations de dépôt, préalablement à l’assemblage par pressage.In the case of separate and insulated areas on the same plane as illustrated in Figures 1, 4, 5, 6 and 7, the zones are modeled during deposition operations, prior to assembly by pressing.

Dans une huitième étape h) représentée en figure 3H, la superposition obtenue en fin d’étape g) est libérée des supports de travail 601 et 602. Lors de l’extraction des supports de travail 601, 602, les techniques physiques ou chimiques mises en œuvre sont adaptées en fonction des matériaux utilisés.In an eighth step h) represented in FIG. 3H, the superposition obtained at the end of step g) is released from the working supports 601 and 602. During the extraction of the working supports 601, 602, the physical or chemical techniques used implemented are adapted according to the materials used.

Les étapes a) à d) d’une part et les étapes e) et 1) d’autre part peuvent être réalisées indépendamment. En variante, l’étape d’amincissement peut être réalisée en amont des autres étapes, par exemple par un fournisseur tiers, différent de celui mettant en œuvre les autres étapes.Steps a) to d) on the one hand and steps e) and 1) on the other hand can be performed independently. Alternatively, the thinning step can be performed upstream of the other steps, for example by a third party supplier, different from that implementing the other steps.

Il est maintenant fait référence à la figure 7. Dans ce mode de réalisation, les deux faces de la couche de substrat 4 comprennent, préalablement à la mise en œuvre du procédé ci-avant, des zones de conductivité électrique. Les étapes a) à d) sont réalisée deux fois de manière à obtenir deux superpositions distinctes correspondant au produit en fin d’étape d). Ensuite, les étapes e) à h) sont réalisées deux fois successivement, sur une face de la couche de substrat 4 puis sur la face opposée, respectivement avec l’une puis l’autre des deux superpositions distinctes obtenues en fin d’étapes d).Reference is now made to FIG. 7. In this embodiment, the two faces of the substrate layer 4 comprise, prior to the implementation of the above method, zones of electrical conductivity. Steps a) to d) are performed twice so as to obtain two distinct superpositions corresponding to the product at the end of step d). Then, steps e) to h) are performed twice successively, on one side of the substrate layer 4 and then on the opposite face, respectively with one then the other of the two distinct overlays obtained at the end of the steps of FIG. ).

Il est alors obtenu un générateur tel que représenté en figure 7 pour lequel deux couches de piézoélectrique sont supportées par une couche de substrat 4 commune.There is then obtained a generator as shown in FIG. 7 for which two piezoelectric layers are supported by a common substrate layer 4.

Les générateurs tels que décrits jusqu’ici présentent un comportement en déformation particulièrement flexible. La Demanderesse a mesuré l’angle de flexion permis sur des générateurs présentant une forme sensiblement rectangulaire telle que représentée en figure 1, et d’une longueur d’environ 5 centimètres. Un angle d’au moins 10°, voire 45° en valeur absolue peut être atteint tout en restant dans le domaine élastique de la superposition. Autrement dit, une telle flexion reste réversible. Les propriétés intrinsèques du générateur, notamment piézoélectriques, sont préservées. Par flexion de 45°, on entend ici que la tangente à une extrémité de la forme rectangulaire de la superposition forme un angle de ±45° avec la direction au repos de la superposition tandis que l’extrémité opposée est bloquée, comme cela est représenté sur la figure 8. Des flexions répétées à des angles de ± 60° et même ± 90° ont pu être atteintes sans que des dégradations de l’efficacité du générateur ne soient constatées.The generators as described hitherto exhibit a particularly flexible deformation behavior. The Applicant has measured the bending angle allowed on generators having a substantially rectangular shape as shown in Figure 1, and a length of about 5 centimeters. An angle of at least 10 ° or even 45 ° in absolute value can be reached while remaining in the elastic domain of the superposition. In other words, such flexion remains reversible. The intrinsic properties of the generator, in particular piezoelectric, are preserved. By bending 45 °, is meant here that the tangent at one end of the rectangular shape of the superposition forms an angle of ± 45 ° with the direction of rest of the superposition while the opposite end is blocked, as shown in Figure 8. Repeated bending at angles of ± 60 ° and even ± 90 ° could be achieved without degrading the efficiency of the generator.

Il est maintenant fait référence à la figure 8 sur laquelle des courbes représentent les résultats obtenus en sortie du générateur en fonction des déformations subies. En ordonnée du graphique de la figure 8 sont représentés sur une double échelle les états de tension et de courant générés aux cours de quatre phases de déformation.Reference is now made to FIG. 8, in which curves represent the results obtained at the output of the generator as a function of the deformations undergone. On the ordinate of the graph of FIG. 8 are represented on a double scale the states of voltage and current generated during four deformation phases.

La première phase correspond à une première flexion vers le haut avec un angle d’environ 60°. On observe les évolutions de la tension et du courant. La tension atteint un maximum de +5 volts en position d’angle maximum et le courant atteint +9 μ A très rapidement puis stagne à + 9μΑ avant de revenir à 0, lorsqu’il n’y a plus de mouvement de flexion.The first phase corresponds to a first bending upward with an angle of about 60 °. The changes in voltage and current are observed. The voltage reaches a maximum of +5 volts in the maximum angle position and the current reaches +9 μ A very quickly then stagnates at + 9μΑ before returning to 0, when there is no more bending movement.

La seconde phase correspond au retour à la position initiale, au repos. La flexion se fait alors dans l’autre sens. La tension revient à 0 volt avec le déplacement et le courant évolue de la même façon que lors de la première phase avec un signe opposé car il est dépendant du sens du mouvement.The second phase corresponds to the return to the initial position, at rest. The bending is then in the other direction. The voltage returns to 0 volts with the displacement and the current changes in the same way as during the first phase with an opposite sign because it is dependent on the direction of the movement.

Les phases 3 et 4 sont respectivement les mêmes que les phases 1 et 2, mais les mouvements de flexion sont opérés dans le sens opposé. Les mêmes comportements en tension et courant sont observés mais avec des signes opposés.Phases 3 and 4 are respectively the same as phases 1 and 2, but bending movements are operated in the opposite direction. The same behaviors in tension and current are observed but with opposite signs.

Il est maintenant fait référence à la figure 9 qui représente schématiquement un ensemble électronique prévu pour coopérer avec un générateur tel que décrit ci-avant. L’ensemble comprend un circuit électronique incluant au moins un redresseur de tension électronique 5, un sous-ensemble de traitement 6 incluant au moins un microcontrôleur pour le traitement et la gestion des tensions et courants de sortie, une batterie/capacité de stockage 7 de l’énergie, un connecteur de sortie +Vs et un connecteur de masse. Dans l’exemple décrit ici, la zone 3 A du générateur de la figure 1 est connectée à l’entrée +Vin de l’ensemble de la figure 9 tandis que la zone 3B du générateur de la figure 1 est connectée à l’entrée -Vin de l’ensemble de la figure 9. L’énergie mécanique de la flexion du générateur est transformée en énergie électrique par effet piézoélectrique direct et stockée dans la batterie/capacité 7. L’énergie stockée est restituée à travers le connecteur de sortie +Vs et la masse à un dispositif électronique non représenté ici.Reference is now made to FIG. 9, which schematically represents an electronic assembly intended to cooperate with a generator as described above. The assembly comprises an electronic circuit including at least one electronic voltage rectifier 5, a processing subset 6 including at least one microcontroller for the processing and management of output voltages and currents, a battery / storage capacity 7 of energy, an output connector + Vs and a ground connector. In the example described here, the zone 3A of the generator of FIG. 1 is connected to the + Vin input of the assembly of FIG. 9 while the zone 3B of the generator of FIG. 1 is connected to the input. -Vin of the whole of Figure 9. The mechanical energy of the bending of the generator is converted into electrical energy by direct piezoelectric effect and stored in the battery / capacity 7. The stored energy is restored through the output connector + Vs and mass to an electronic device not shown here.

La Figure 11 est un schéma représentant un ensemble incluant un générateur similaire à celui de la figure 1 et dans lequel la couche de substrat 4 reçoit en outre un pont redresseur 5. Le pont redresseur 5 est ici de type CMS et est directement fixé sur le substrat 4. Le pont redresseur 5 s’intercale entre les zones 3A et 3B du générateur et deux connecteurs de sortie 3AR et 3BR. La figure 10 illustre les tensions et courants redressés obtenus en sortie sur les connecteurs de sortie 3AR et 3BR. Les courants et tensions en sortie sont tous de signe positif, indépendamment du sens de la déformation du générateur 1. Les sorties 3AR et 3BR peuvent donc alimenter directement des organes de stockage d’énergie tels que des batteries. Les sorties 3AR et 3BR peuvent être reliées à un dispositif électronique non représenté pour l’alimenter en énergie et/ou fournir un signal représentatif de la déformation de la superposition. Le générateur forme dans ce cas un capteur de déformation.FIG. 11 is a diagram showing an assembly including a generator similar to that of FIG. 1 and in which the substrate layer 4 further receives a rectifier bridge 5. The rectifier bridge 5 is here of CMS type and is directly fixed on the substrate 4. The rectifier bridge 5 is inserted between the zones 3A and 3B of the generator and two output connectors 3AR and 3BR. Figure 10 illustrates the rectified voltages and currents obtained at the output connectors 3AR and 3BR. The output currents and voltages are all of positive sign, regardless of the direction of the deformation of the generator 1. The outputs 3AR and 3BR can therefore directly supply energy storage members such as batteries. The outputs 3AR and 3BR can be connected to an electronic device not shown to supply power and / or provide a signal representative of the deformation of the superposition. The generator forms in this case a deformation sensor.

La Figure 12 représente un ensemble pour lequel un sous-ensemble correspondant à l’ensemble de la figure 9 est fixé intégralement sur la couche de substrat 4 d’un générateur. Le fonctionnement est sensiblement similaire mais présente un encombrement particulièrement limité qui favorise des implémentations dans des objets légers, par exemple des vêtements.Figure 12 shows an assembly for which a subset corresponding to the assembly of Figure 9 is integrally attached to the substrate layer 4 of a generator. The operation is substantially similar but has a particularly limited footprint that promotes implementations in lightweight objects, such as clothing.

Les générateurs et les ensembles équipés de tels générateurs présentent une structure générale souple, flexible et légère. Ils mettent en œuvre l’effet piézoélectrique direct avec une efficacité proche des possibilités théoriques des structures piézoélectriques massives, efficacité très supérieure à celle des couches minces. A titre de comparaison, le coefficient D33 d’un matériau piézoélectrique massif présente généralement une valeur d’environ 400 pm/V. Le même matériau en couche mince présente généralement un coefficient d’une valeur d’environ 20 pm/V, soit vingt fois inférieur. La Demanderesse a observé sur les générateurs tels que décrits ici des coefficients piézoélectriques supérieures à 100 pm/V (ou 100 pC/N), soit nettement supérieurs à ceux des couches minces, comparables à ceux des matériaux massifs non flexibles.Generators and assemblies equipped with such generators have a general structure that is flexible, flexible and lightweight. They implement the direct piezoelectric effect with an efficiency close to the theoretical possibilities of massive piezoelectric structures, a much higher efficiency than that of thin films. By way of comparison, the coefficient D33 of a solid piezoelectric material generally has a value of approximately 400 pm / V. The same thin-film material generally has a coefficient of about 20 pm / V, which is twenty times lower. The Applicant has observed on the generators as described here piezoelectric coefficients greater than 100 pm / V (or 100 pC / N), significantly higher than those of thin layers, comparable to those of non-flexible bulk materials.

En association avec un organe de communication, par exemple du type USB, Wifi, Bluetooth, RFID ou Infrarouge, de tels générateurs permettent de rendre communiquant de nombreux dispositifs électroniques sans que cela ne vienne nuire à l’autonomie énergétique. L’augmentation de la consommation électrique induite par les organes de communication étant au moins en partie compensée par l’énergie produite par le générateur à partir d’énergie mécanique déjà disponible mais habituellement non utilisée.In association with a communication device, for example of the USB, Wifi, Bluetooth, RFID or Infrared type, such generators make it possible to communicate a large number of electronic devices without this adversely affecting energy autonomy. The increase in the power consumption induced by the communication devices being at least partly compensated by the energy produced by the generator from mechanical energy already available but usually not used.

Les générateurs peuvent faire office de capteur de pression et/ou de déformation totalement ou partiellement autonome énergétiquement, et optionnellement communiquant.The generators can act as a pressure sensor and / or deformation totally or partially autonomously energy, and optionally communicating.

Les générateurs sont particulièrement adaptés aux dispositifs de récolte d’énergie de type portable ou implantable, comme les générateurs logés dans les semelles de chaussures, ou encore les dispositifs implantables qui récoltent de l’énergie à partir des mouvements respiratoires des utilisateurs.The generators are particularly suitable for portable or implantable energy harvesting devices, such as generators housed in shoe soles, or implantable devices that harvest energy from the respiratory movements of users.

Des dispositifs portables ou ambulatoires, généralement appelés « wearables », peuvent devenir énergétiquement autonomes ou presque. L’opération de recharge d’une batterie par un branchement à une source externe telle que le secteur devient inutile ou très rare.Portable or ambulatory devices, generally called "wearables", can become energetically autonomous or almost. The operation of recharging a battery by a connection to an external source such as the sector becomes useless or very rare.

Les générateurs sont adaptés aux mouvements humains tels que la marche et la course à pied. Ils peuvent être aisément intégrés à des vêtements. Ils respectent les critères généralement admis comme nécessaires à ce type d’application, notamment la légèreté, la miniaturisation, la souplesse, la robustesse et les coûts de fabrication.The generators are suitable for human movements such as walking and running. They can be easily integrated into clothes. They respect the criteria generally accepted as necessary for this type of application, including lightness, miniaturization, flexibility, robustness and manufacturing costs.

La structure du générateur et son procédé de fabrication décrits ici permettent d’exploiter une structure massive de matériau piézoélectrique - dont les propriétés intrinsèques sont largement plus élevées que celles des couches minces - en mode de fonctionnement flexible adapté aux mouvements de l’homme.The structure of the generator and its method of manufacture described here make it possible to exploit a massive structure of piezoelectric material - whose intrinsic properties are much higher than those of thin layers - in a flexible operating mode adapted to the movements of the human being.

La structure du générateur est réalisée à base de matériaux massifs dont les propriétés intrinsèques sont conservées au cours du processus de fabrication. La solution proposée constitue un moyen efficace supportant l’utilisation de matériaux céramique ou monocristaux piézoélectriques en régime de flexion, tout en offrant de grandes performances en génération d’énergie grâce aux propriétés piézoélectrique massives conservées. L’invention ne se limite pas aux exemples de générateurs et d’ensembles décrits ci-avant, seulement à titre d’exemple, mais elle englobe toutes les variantes que pourra envisager l’homme de l’art dans le cadre des revendications ci-après.The structure of the generator is made of massive materials whose intrinsic properties are preserved during the manufacturing process. The proposed solution constitutes an efficient means supporting the use of ceramic materials or piezoelectric single crystals in the bending regime, while offering great performance in energy generation thanks to the preserved massive piezoelectric properties. The invention is not limited to the examples of generators and assemblies described above, only by way of example, but it encompasses all the variants that can be considered by those skilled in the art in the context of the claims below. after.

Claims (16)

Revendicationsclaims 1. Générateur électrique comprenant une superposition incluant : - une première couche d’électrode (1) ; - une seconde couche d’électrode (3) ; - une couche de matériau piézoélectrique (2), d’épaisseur comprise entre 10 et 60 micromètres interposée entre la première couche d’électrode (1) et la seconde couche d’électrode (3) ; et - une couche de substrat (4) supportant la première couche d’électrode (1) ou la seconde couche d’électrode (3).An electric generator comprising a superposition including: a first electrode layer (1); a second electrode layer (3); a layer of piezoelectric material (2) with a thickness of between 10 and 60 microns interposed between the first electrode layer (1) and the second electrode layer (3); and - a substrate layer (4) supporting the first electrode layer (1) or the second electrode layer (3). 2. Générateur (1) selon la revendication 1, dans lequel les épaisseurs de la première couche d’électrode (1), de la seconde couche d’électrode (3), de la couche de matériau piézoélectrique (2) et de la couche de substrat (4) ainsi que leurs compositions respectives sont conjointement sélectionnées de sorte qu’une superposition présentant une longueur de cinq centimètres peut être courbée de manière réversible jusqu’à ce que les tangentes aux extrémités forment entre elles un angle supérieur à 10°.2. Generator (1) according to claim 1, wherein the thicknesses of the first electrode layer (1), the second electrode layer (3), the layer of piezoelectric material (2) and the layer substrate (4) and their respective compositions are jointly selected so that a superposition having a length of five centimeters can be reversibly curved until the tangents at the ends form an angle greater than 10 ° between them. 3. Générateur (1) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la couche de matériau piézoélectrique (2) comprend au moins un des matériaux suivants : - une céramique de titano-zirconate de plomb (PZT), - des monocristaux de : - titanate niobate magnésium de plomb (Pb(Mgi/3Nb2/3)(i-x)Tix03 ; PMN-PT), - quartz (S1O2), - oxyde de zinc (ZnO), - titanate de baryum (BaTiCb), - niobate de strontium/baryum (SrxBa(i-X)Nb206 ; SBN), - tantalate-niobate de potassium (KTa(i-X)Nbx03 ; KTN), - titanate niobate zinc de plomb (Pb(Zni/3Nb2/3)(i-X)TixC>3 ; PZN-PT), et de - niobate de lithium (LiNbCb).3. Generator (1) according to one of the preceding claims, wherein the layer of piezoelectric material (2) comprises at least one of the following materials: - a titanium lead zirconate (PZT) ceramic, - single crystals of: - titanate niobate lead magnesium (Pb (Mgi / 3Nb2 / 3) (ix) Tix03; PMN-PT), - quartz (S1O2), - zinc oxide (ZnO), - barium titanate (BaTiCb), - niobate strontium / barium (SrxBa (iX) Nb206; SBN), - potassium tantalate-niobate (KTa (iX) Nbx03, KTN), - lead niobate zinc titanate (Pb (Zni / 3Nb2 / 3) (iX) TixC> 3 PZN-PT), and lithium niobate (LiNbCb). 4. Générateur (1) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la couche de matériau piézoélectrique (2) présente une épaisseur comprise entre 20 et 40 micromètres.4. Generator (1) according to one of the preceding claims, wherein the layer of piezoelectric material (2) has a thickness between 20 and 40 microns. 5. Générateur (1) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’une au moins de la première couche d’électrode (1) et de la seconde couche d’électrode (3) comprend du cuivre (Cu), du chrome (Cr), du titane (Ti), de l’aluminium (Al) et/ou de l’or (Au).5. Generator (1) according to one of the preceding claims, wherein at least one of the first electrode layer (1) and the second electrode layer (3) comprises copper (Cu), chromium (Cr), titanium (Ti), aluminum (Al) and / or gold (Au). 6. Générateur (1) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’une au moins de la première couche d’électrode (1) et de la seconde couche d’électrode (3) présente une épaisseur comprise entre 0,1 et 0,6 micromètres.6. Generator (1) according to one of the preceding claims, wherein at least one of the first electrode layer (1) and the second electrode layer (3) has a thickness between 0.1 and 0.6 microns. 7. Générateur (1) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la couche de substrat (4) est réalisé à base de l’un au moins parmi du poly(4,4’-oxydiphénylène-pyromellitimide) (Kapton), du poly(téréphtalate d’éthylène) (PET), du poly(fluorure de vinylidène) (PVDF) et une feuille de métal laminée.7. Generator (1) according to one of the preceding claims, wherein the substrate layer (4) is made based on at least one of poly (4,4'-oxydiphenylene-pyromellitimide) (Kapton), poly (ethylene terephthalate) (PET), polyvinylidene fluoride (PVDF) and a rolled metal sheet. 8. Générateur (1) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la couche de substrat (4) présente une épaisseur comprise entre 13 et 65 micromètres.8. Generator (1) according to one of the preceding claims, wherein the substrate layer (4) has a thickness between 13 and 65 micrometers. 9. Générateur (1) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la couche de matériau piézoélectrique (2) présente un coefficient piézoélectrique supérieur à 100 pm/V.9. Generator (1) according to one of the preceding claims, wherein the layer of piezoelectric material (2) has a piezoelectric coefficient greater than 100 pm / V. 10. Ensemble électronique comprenant un générateur (1) selon l’une des revendications précédente couplé à un accumulateur de sorte qu’une flexion de la superposition du générateur (1) génère un stockage d’énergie par l’accumulateur.10. Electronic assembly comprising a generator (1) according to one of the preceding claims coupled to an accumulator so that a bending of the superposition of the generator (1) generates energy storage by the accumulator. 11. Ensemble selon la revendication 10, dans lequel la couche de substrat (4) du générateur (1) supporte au moins en partie l’accumulateur.11. The assembly of claim 10, wherein the substrate layer (4) of the generator (1) at least partially supports the accumulator. 12. Ensemble électronique comprenant un générateur (1) selon l’une des revendications 1 à 9 relié à un microcontrôleur agencé pour tirer des informations de pression et/ou de déformation de la superposition du générateur (1) à partir d’un signal en sortie du générateur (1).12. Electronic assembly comprising a generator (1) according to one of claims 1 to 9 connected to a microcontroller arranged to pull pressure information and / or deformation of the superposition of the generator (1) from a signal in generator output (1). 13. Ensemble électronique selon l’une des revendications 10 à 12 comprenant en outre un émetteur agencé pour transmettre des informations tirées d’un signal en sortie du générateur (1).13. Electronic assembly according to one of claims 10 to 12 further comprising a transmitter arranged to transmit information from a signal output of the generator (1). 14. Procédé de fabrication d’un générateur (1) comprenant les étapes suivantes : a) déposer sur une couche massive de matériau piézoélectrique (201) une couche de matériau conducteur (101) de manière à former une première couche d’électrode (1), b) fixer la superposition obtenue en a) sur un premier support de travail (601), c) amincir la couche massive de matériau piézoélectrique jusqu’à obtenir une couche massive de matériau piézoélectrique amincie (202) d’épaisseur comprise entre 10 et 60 micromètres, d) déposer sur la couche massive de matériau piézoélectrique amincie (202) de la superposition obtenue en c) une couche de matériau conducteur (301), e) fixer une couche de substrat (4) sur un second support de travail (602), f) déposer sur la couche de substrat (4) de la superposition obtenue en e) une couche de matériau conducteur (302), g) appliquer les couches de matériau conducteur (301, 302) déposées respectivement en d) et en f) l’une contre l’autre et presser les superpositions obtenues respectivement en d) et en f) jusqu’à obtenir une liaison moléculaire entre lesdites couches de matériau conducteur (301, 302) de manière à former une unique seconde couche d’électrode (3), et h) retirer les premier et second supports de travail (601, 602).A method of manufacturing a generator (1) comprising the following steps: a) depositing on a solid layer of piezoelectric material (201) a layer of conductive material (101) so as to form a first electrode layer (1). ), b) fixing the superposition obtained in a) on a first working support (601), c) thinning the solid layer of piezoelectric material until a solid layer of thinned piezoelectric material (202) with a thickness of 10 and 60 micrometers, d) depositing on the solid layer of thinned piezoelectric material (202) the superposition obtained in c) a layer of conductive material (301), e) attaching a substrate layer (4) on a second work support (602), f) depositing on the substrate layer (4) the superposition obtained in e) a layer of conductive material (302), g) applying the layers of conductive material (301, 302) deposited respectively in d) and in f) one of them contrasting each other and pressing the overlays obtained respectively in d) and f) to obtain a molecular bond between said conductive material layers (301, 302) so as to form a single second electrode layer (3), and h) removing the first and second work supports (601, 602). 15. Procédé selon la revendication 14 dans lequel la couche de matériau conducteur (101) déposée en a) et/ou les deux couches de matériau conducteur (301, 302) déposées en d) et 1) présentent une pluralité de zones isolées électriquement les unes des autres de manière à obtenir des plots de contact coplanaires (1 A, IB, IC ; 3A, 3B, 3C).15. The method of claim 14 wherein the layer of conductive material (101) deposited in a) and / or the two layers of conductive material (301, 302) deposited in d) and 1) have a plurality of electrically insulated areas. each other so as to obtain coplanar contact pads (1A, 1B, 1C, 3A, 3B, 3C). 16. Procédé selon l’une des revendications 14 et 15 dans lequel les étapes a) à d) sont réalisées deux fois de manière à obtenir deux superpositions distinctes, les étapes e) à h) sont réalisées deux fois successivement sur une face de la couche de substrat (4) puis sur la face opposée, respectivement avec l’une puis l’autre desdites deux superpositions distinctes.16. Method according to one of claims 14 and 15 wherein the steps a) to d) are performed twice so as to obtain two distinct overlays, the steps e) to h) are performed twice successively on one side of the substrate layer (4) then on the opposite face, respectively with one then the other of said two distinct overlays.
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